UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM SANEAMENTO,
MEIO AMBIENTE E RECURSOS HÍDRICOS
ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE UM
FILTRO BIOLÓGICO PERCOLADOR COM
LATERAIS ABERTAS APLICADO AO
PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTE DE REATOR
UASB
Paulo de Castro Vieira
Belo Horizonte
ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE UM FILTRO
BIOLÓGICO PERCOLADOR COM LATERAIS ABERTAS
APLICADO AO PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTE DE
Paulo de Castro Vieira
ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE UM FILTRO
BIOLÓGICO PERCOLADOR COM LATERAIS ABERTAS
APLICADO AO PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTE DE
REATOR UASB
Tese apresentada ao Programa de Pós-graduação em
Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos da
Universidade Federal de Minas Gerais, como requisito
parcial à obtenção do título de Doutor em Saneamento,
Meio Ambiente e Recursos Hídricos.
Área de concentração: Saneamento
Linha de pesquisa: Tratamento de Águas Residuárias
Orientador: Prof. Dr. Marcos von Sperling
Belo Horizonte
Página com as assinaturas dos membros da banca examinadora, fornecida pelo colegiado do
À s flores do meu j ardi m,
M iosótis, minha saudosa vovó M aria E ugênia
Girassol, minha querida mãe
AGRADECIMENTOS
À Deus, por me dar a possibilidade de escolher meu caminho.
Aos meus pais, pelo amor e sacrifício que fizeram para a realização dos meus sonhos.
À minha saudosa vovó, Maria Eugênia, pelo carinho, incentivo e o apoio dados sempre.
À minha maravilhosa filha, Malu, por me proporcionar intensos momentos de alegrias.
Aos meus queridos irmãos, Dudu e Elisa, pela amizade e companheirismo apresentados sempre.
Ao Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental e ao programa de pós-graduação SMARH da UFMG pela oportunidade impar em minha carreira.
Ao meu orientador, professor Marcos von Sperling, pela confiança, apoio, incentivo, exemplo, paciência e conhecimentos transmitidos que serão de grande importância em minha vida.
Aos professores Carlos Chernicharo e Juliana Calábria do DESA, pelos conhecimentos transmitidos nas pesquisas que participamos e pelas importantes contribuições para a elaboração da minha tese.
Aos professores Isaac Volschan, Roque dos Passos Piveli e Cláudio Leite de Souza, membros da banca examinadora, pelas importantes contribuições para a elaboração da minha tese.
Ao professor Martin Seidl, pelo importante incentivo e apoio dados para que eu pudesse vir a ingressar no doutorado e por todos os conhecimentos transmitidos.
Ao professor Nilo Nascimento, pelo apoio oferecido e por possibilitar a minha participação no projeto relacionado à primeira parte do meu doutorado.
Aos demais professores do DESA e do DEHR UFMG por contribuir em minha formação acadêmica.
À colega, que se tornou companheira de trabalho, e posteriormente amiga, e que hoje considero também como a minha co-orientadora, Raquel Cota, que Deus te dê muitas alegrias.
Ao estagiário que se tornou o companheiro de todas as horas na pesquisa, Gabriel Vasconcelos.
Ao sr. Raimundo pelo apoio na condução do aparato experimental, pelos conhecimentos transmitidos e pelos vários momentos divertidos que passamos no CePTS.
Aos estagiários, alunos de IC e voluntários do laboratório e do CePTS, em especial, Viviane, Vitor, Mariana R., Mariana C., Maria Luiza, Cristiane, Bruna, Victor, Mariana P., Lorena, Bárbara, Stephanny, Lucas, Bianca, Clarissa, Grayziela, Thais, Glayson, Gabriela, Renata e Breno, pela dedicação e empenho, fundamentais para a realização deste trabalho.
Aos companheiros e amigos que fiz durante o mestrado e doutorado no SMARH/UFMG, em especial, Cláudio, João, Margarita, Krisdany, Filipe, Paulo Gustavo, Jackson, Débora, Jocilene, Valéria, Emanuel, Sue Ellen, Aracele, Lívia e Danusa,
À Norma pela atenção e conhecimentos sempre oferecidos com muita gentileza, aos demais funcionários do DESA e do DEHR, em especial, Iara, Cláudia, Suzane, Olívia, Cassiano, Cintia, Dona Chica, Jussara, Bob, Terezinha, Deisi, Reginaldo e estagiários, e aos funcionários da FCO, em especial, Maria Geralda, Paulo, Cleiton e Merciane, pela atenção e boa convivência.
Ao corpo técnico da NEP-PDD/PBH que fez parte do projeto SWITCH, em especial a Ilda, Sônia, André, Abelino e Marcão, pela atenção e conhecimentos transmitidos na primeira parte do doutorado.
RESUMO
A presente tese objetivou avaliar o comportamento de uma concepção inovadora de um filtro
biológico percolador com as laterais abertas, desenvolvido no DESA-UFMG e denominado
filtro biológico percolador aberto (FBPA), aplicado ao pós-tratamento de efluente sanitário de
reator UASB. O comportamento do FBPA foi avaliado para diferentes taxas de aplicação
superficial e alturas do meio de enchimento, sem a etapa de decantação secundária, quanto à
hidrodinâmica, ao desempenho (remoção de sólidos, matéria orgânica e nitrogênio), aos
fatores ambientais de influência na nitrificação e à transferência de oxigênio. O
comportamento hidrodinâmico foi avaliado por meio de testes com traçadores e ajustes aos
modelos matemáticos de representação dos escoamentos reais. A capacidade de transferência
de oxigênio para o líquido foi avaliada com o filtro em sua configuração original (com laterais
abertas) e com o filtro simulando uma unidade convencional (com as laterais fechadas), por
meio de traçador gasoso não reativo. O regime de escoamento do FBPA tendeu ao modelo de
fluxo em pistão, conforme os resultados obtidos no modelo de dispersão axial com o
parâmetro de retenção líquida. Os tempos médios de residência observados (12 a 22 min),
possivelmente foram conduzidos pela capacidade de drenagem do biofilme e pelas condições
de distribuição do afluente e umedecimento do meio de enchimento do filtro. O polimento
adicional de sólidos e matéria orgânica ocorrido no FBPA pode ser considerado significativo,
devido ao seu afluente (efluente dos reatores UASB) apresentar menores frações
biodegradáveis, e aos relativamente baixos tempos médios de residência do líquido no filtro.
A nitrificação no FBPA, de modo geral, foi sensivelmente influenciada a partir das cargas
aplicadas de 0,15 kg DBOtotal /m3.d, 0,03 kg DBOsolúvel/m3.d e 2,5-3,0 g N-NH4+/m2.d (carga
de contato de amônia). Os resultados da capacidade de transferência de oxigênio foram
bastante semelhantes para as taxas hidráulicas aplicadas, sendo que o filtro com as laterais
fechadas apresentou valores ligeiramente maiores do que o filtro em sua configuração
original. Devido à sua simplicidade operacional, sem mecanização, tamanho reduzido, baixos
custos de implantação e desempenho satisfatório, o FBPA mostrou ser uma alternativa
promissora, especialmente para pequenas comunidades, com menos recursos.
PALAVRAS-CHAVE: Pós-tratamento de reator UASB, filtro biológico percolador com
ABSTRACT
This thesis aimed to evaluate the behavior of a novel design of a Trickling Filter with open
sidewalls, developed at DESA-UFMG, Brazil, called Open Trickling Filter (OTF), applied to
the post-treatment of sanitary effluent from a UASB reactor. The OTF was assessed under
different hydraulic loading rates and packing material height, without the step of secondary
settlement, regarding its hydrodynamics, performance (removal of solids, organic matter and
nitrogen), the influence of environmental factors on nitrification and the transfer of oxygen.
The hydrodynamic behavior was assessed through tests with tracers and adjustments to the
mathematical models representing the actual flow. The filter´s ability to transfer oxygen to the
liquid was evaluated for its original configuration (with open sides) and the filter simulating a
conventional unit (with closed sides) by means of a non-reactive tracer gas. The flow regime
of the OTF tended to plug flow. The mean residence time observed (12 to 22 min) was
possibly due to the biofilm´s draining capacity, the influent´s distribution conditions and
packing material moisture. The additional polishing of suspended solids and organic matter in
the OTF was substantial, taking into account that its influent (UASB reactor effluent) had low
biodegradable fractions, and also the filter had low hydraulic retention time. Nitrification in
the OTF was affected from applied loading rates of 0.15 kg BODtotal.m-3.d-1, 0.03 kg
BODsoluble.m-3.d-1 and 2.5-3.0 g NH4+-N.m-2.d-1 (contact load of ammonium). The results of
the filter´s ability to transfer oxygen were similar for the hydraulic loading rates applied. The
closed sided filter showed slightly larger ability to transfer oxygen than the filter in its original
open configuration. Considering the system´s great simplicity, no mechanization and small
footprint, the performance results obtained can be considered satisfactory. It is suggested that
the open trickling filter is suitable for small communities, especially at developing countries.
KEYWORDS: Post-treatment of UASB reactor, open trickling filter, hydrodynamic,
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ... IX
LISTA DE TABELAS ... XIII
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS ... XV
1 INTRODUÇÃO ...18
2 OBJETIVOS ...21
2.1 OBJETIVO GERAL ...21
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS...21
3 REVISÃO DA LITERATURA ...22
3.1. CARACTERÍSTICAS DOS FBPS APLICADOS AO TRATAMENTO DE ESGOTOS...22
3.1.1. Conceitos gerais ...22
3.1.2. Sistema de distribuição afluente ...26
3.1.3. Dispositivos de ventilação ...29
3.1.4. Requisitos de oxigênio e fluxo de ar ...31
3.2. FBPS APLICADOS AO PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTES DE REATOR UASB...34
3.2.1. Classificação e critérios de projeto de FBPs ...35
3.2.2. Configurações do sistema UASB/FBP ...37
3.2.3. Desempenho do sistema UASB/FBP ...40
3.3. NITRIFICAÇÃO EM FBPS ...49
3.3.1. Aspectos gerais ...49
3.3.2. Condições operacionais de influência na nitrificação em FBPs ...52
3.3.3. Fatores ambientais de influência na nitrificação em FBPs ...55
3.3.4. Microbiota nitrificante do biofilme: presença e competição ...63
3.4. COMPORTAMENTO HIDRODINÂMICO DE REATORES REAIS ...68
3.4.1. Distribuição dos tempos de residência ...69
3.4.2. Modelos clássicos de representação dos escoamentos ...75
3.4.3. Modelos de representação dos escoamentos em FBPs ...83
3.5. TRANSFERÊNCIA DE OXIGÊNIO ...91
3.5.1. Fundamentos da transferência de gases ...91
3.5.2. Cinética da aeração ...96
3.5.3. Taxa e eficiência de transferência de oxigênio ... 104
3.5.4. Mecanismos de transferência de gases em meios porosos ... 107
3.5.5. Modelos de transferência de oxigênio em FBPs ... 112
4 HIPÓTESES ... 119
5 MATERIAL E MÉTODOS ... 120
5.1 CARACTERÍSTICAS DO APARATO EXPERIMENTAL ... 120
5.1.1 Reatores UASB ... 120
5.1.1 FBPA ... 123
5.2 TAXAS HIDRÁULICAS DE PROJETO ... 127
5.3 MONITORAMENTO DO SISTEMA UASB/FBPA ... 128
5.3.1 Efluentes líquidos ... 128
5.3.2 Caracterização do biofilme do FBPA ... 130
5.4 AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO HIDRODINÂMICO DO FBPA ... 132
5.4.1 Distribuição dos tempos de residência ... 132
5.4.2 Ajustes dos modelos de representação do escoamento ... 135
5.5 CAPACIDADE DE TRANSFERÊNCIA DE OXIGÊNIO NO FBPA ... 136
5.5.1 Aparato experimental... 137
5.5.2 Procedimento com o gás traçador ... 140
5.5.3 Determinação da taxa de respiração endógena do biofilme ... 144
5.5.4 Parâmetros avaliados pelos modelos de TO ... 146
5.6 TRATAMENTO DOS DADOS ... 147
5.6.2 Estatística descritiva dos dados... 147
5.6.3 Testes de variância ... 148
6 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 149
6.1 AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO HIDRODINÂMICO DO FBPA ... 149
6.1.1 Distribuição dos tempos de residência ... 149
6.1.2 Ajustes dos modelos de escoamentos reais... 157
6.2 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DO SISTEMA UASB/FBPA ... 166
6.2.1 Condições de operação impostas ... 168
6.2.2 Desempenho global ... 174
6.2.3 Sólidos ... 179
6.2.4 Matéria orgânica ... 187
6.2.5 Nitrogênio ... 198
6.2.5.1 Formas do nitrogênio ... 198
6.2.5.2 Abundância de bactérias nitrificantes no FBPA ... 206
6.2.5.3 Influência das condições impostas na nitrificação no FBPA ... 208
6.2.5.4 Influência dos fatores ambientais na nitrificação no FBPA ... 212
6.2.5.5 Desnitrificação no FBPA ... 219
6.3 AVALIAÇÃO DA CAPACIDADE DE TRANSFERÊNCIA DE OXIGÊNIO NO FBPA ... 223
6.3.1 Monitoramento do oxigênio nos ensaios ... 223
6.3.2 Parâmetros avaliados pelos modelos de TO ... 225
7 CONCLUSÕES ... 234
8 RECOMENDAÇÕES ... 240
REFERÊNCIAS ... 242
APÊNDICE A – RESULTADOS DOS ENSAIOS HIDRODINÂMICOS ... 253
APÊNDICE B – RESULTADOS DO MONITORAMENTO DOS PARÂMETROS DE QUALIDADE .. 256
APÊNDICE C – RESULTADOS DOS TESTES ESTATÍSTICOS DE VARIÂNCIA ... 278
APÊNDICE D – RESULTADOS DO ENSAIO DE RESPIRAÇÃO ENDÓGENA DO BIOFILME ... 291
APÊNDICE E – RESULTADOS DOS ENSAIOS DE TRANSFERÊNCIA DE OXIGÊNIO ... 292
APÊNDICE F – RESULTADOS DAS ANÁLISES DE NMP DAS BACTÉRIAS NITRIFICANTES ... 295
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 3.1: Representação esquemática de um FBP convencional. ...23
FIGURA 3.2: Sistemas de distribuição afluente utilizados em FBPs aplicados ao tratamento de esgotos: (a) Distribuidor rotativo de quatro braços com orifícios; (b) Distribuidor móvel em translação; (c) Distribuidor fixo com tubos e dispersores; (d) Distribuidor fixo com canaletas e vertedores triangular. ...28 FIGURA 3.3: Sistemas de ventilação utilizados em FBPs e biotorres aplicados ao tratamento de efluentes: (a) Poços de ventilação; (b) e (c) janelas de ventilação junto ao sistema de drenagem de fundo; (d) FBP com parede em tijolos arrumados e janelas de ventilação junto ao sistema de drenagem de fundo. ...30 FIGURA 3.4: Linha de tratamento do líquido típica de uma ETE com reator UASB e FBP. Fonte: von Sperling & Chernicharo (2005). ...37 FIGURA 3.5: ETEs com sistema UASB/FBP: (a) ETE São José da Lapa (40 L/s); (b) ETE Laboreaux - Itabira (168 L/s); (c) ETE Onça – Belo Horizonte (1800 L/s); (d) ETE Vieiras – Montes Claros (500 L/s). Fonte: COPASA (2012) SAAE-Itabira (2012). ...38 FIGURA 3.6: Sistema compacto UASB/FBP do tipo retangular desenvolvido no DESA/UFMG: (a) Fotografia do sistema; (b) detalhe esquemático dos componentes do sistema. Fonte: CePTS UFMG/COPASA. ...39 FIGURA 3.7: Principais mecanismos envolvidos na conversão biológica de amônia em nitrato em biofilmes (In: Florêncio et al., 2000; Adaptado de Helmer-Madhok et al, 2002). ...50 FIGURA 3.8: Diagrama esquemático das etapas envolvidas no transporte de oxigênio. (In: Gonçalves
et al., 2001; adaptado de Bailey & Ollis, 1986; e Fazolo, 2000)...62
FIGURA 3.9: Parâmetros obtidos pela curva de resposta do traçador (Fonte: METCALF & EDDY, 2003). ...71 FIGURA 3.10: Curva de distribuição dos tempos de residência para um fluido escoando através de um vaso (Fonte: LEVENSPIEL, 2000). ...72
FIGURA 3.11: Curvas Cpulso típicas apresentando pequena e grande variância (Fonte: LEVENSPIEL,
2000). ...73 FIGURA 3.12: Relação entre as curvas de distribuição dos tempos de residência E(t) e da distribuição acumulada dos tempos de residência F(t) para um fluido escoando através de um vaso (Fonte: LEVENSPIEL, 2000). ...74 FIGURA 3.13: Curvas de distribuição dos tempos de residência E(t) e da distribuição acumulada dos tempos de residência F(t) para um fluido escoando através de um vaso (Adaptado de METCALF & EDDY, 2003). ...75 FIGURA 3.14: Curvas de típicas de respostas do traçador para a distribuição dos tempos de residência normalizadas E : (a) curvas de respostas do modelo de DPI; e (b) curvas de respostas do modelo de DGI (Fonte: Levenspiel, 2000). ...79 FIGURA 3.15: Curvas de típicas de respostas do traçador para a distribuição dos tempos de residência normalizadas E para o modelo clássico de N-TES (Fonte: Levenspiel, 2000). ...82
FIGURA 3.16: Curvas Cpulso e de representação do escoamentos do modelo dispersão axial em um
FBP com meio de enchimento sem biofilme (Fonte: Vasel & Schrobiltgen, 1991). ...85 FIGURA 3.17: Estrutura do modelo CSBR com N tanques para FBPs. (Fonte: Wik, 2003). ...89
FIGURA 3.18: Curvas Cpulso e de representação do escoamento dos modelos de CSBR e TES em um
FIGURA 3.21: Frações volumétricas do ar, da água e volume total de poros em relação com a densidade do meio poroso para diferentes valores de umidade. (Fonte: Hillel, 2004)...107 FIGURA 3.22: Curva de saturação do gás propano em água limpa a 1 atm. (Adaptado de Boumansour et al., 1995). ...113 FIGURA 5.1: Fluxograma simplificado das etapas do sistema de tratamento combinado UASB/FBPA. ...120 FIGURA 5.2: Reatores UASB geminados - Reator - R1 utilizado na primeira e segunda (primeira fase) etapas de operação: (a) e (b) fotografias frontal e lateral do reator UASB; (b) detalhe esquemático do funcionamento de um dos reatores geminados. ...122 FIGURA 5.3: Sistema compacto UASB/FBP do tipo cilíndrico - reator UASB utilizado na segunda etapa de operação: (a) Fotografia do sistema; (b) detalhe esquemático dos componentes do sistema. ...122 FIGURA 5.4: Alturas do FBPA em cada etapa de operação: (a) altura total do FBPA de 2,30 m (primeira etapa); (b) altura total do FBPA de 3,5 m (segunda etapa). ...124 FIGURA 5.5: Sistemas de distribuição afluente do FBPA utilizados nas etapas avaliadas: (a) tubos de PVC perfurados (primeira etapa); (b) canaletas de PVC com vertedores triangulares (segunda etapa). ...125 FIGURA 5.6: Fluxograma das etapas de tratamento e das condições gerais de operação do FBPA desenvolvidas na pesquisa. ...128 FIGURA 5.7: Pontos de coleta do biofilme no FBPA: (a) profundidade dos pontos de coleta; (b) vista da lateral e da tubulação perfurada passando por dentro das camadas do meio suporte; (c) dispositivo de amostragem (canaleta de PVC) com meio suporte (brita nº 4). ...131 FIGURA 5.8: FBPA com as laterais fechadas: (a) esquema ilustrativo das janelas de ventilação; (b) FBPA com as paredes laterais fechadas com a lona. ...138 FIGURA 5.9: Componentes do aparto experimental dos testes de transferência de oxigênio para o líquido no FBPA. ...140 FIGURA 5.10: Detalhe da injeção do gás traçador na água limpa dentro da caixa reguladora de vazão. ...141 FIGURA 5.11: Cilindro de gás utilizado sem o sistema de banho-maria (a) e com o sistema de sistema de banho-maria (b). ...142 FIGURA 5.12: Monitoramento de OD e temperatura no efluente do FBPA. ...142
FIGURA 5.13: Procedimentos de coleta das amostras para análise de propano no líquido: (a) coleta com mangueira de silicone na tubulação de saída; (b) lacre do frasco de coleta com amostra. ...143 FIGURA 6.1: Variações diurnas típicas das concentrações de STD no efluente do FBPA durante 24 horas observadas nos dias: (a) 5/out/2012; e (b) 9/out/2012. ...150 FIGURA 6.2: Série temporal dos valores de pH e POR durante os testes com os traçadores: (a) e (b) NaCl; e (c) e (d) LiCl. ...150
FIGURA 6.3: Comparação dos valores de t/H versus a TAS/s no FBPA com outros FBPs utilizando
diferentes tipos de enchimento e presença de biofilme. ...155
FIGURA 6.4: Comparação dos valores de t/H versus a CHV/s no FBPA com outros FBPs utilizando
diferentes tipos de enchimento e presença de biofilme. ...156
FIGURA 6.5: Curvas Cpulso e das funções de DTR para o traçador LiCl (a e b) e das três taxas
FIGURA 6.8: Curvas da função E(t) normalizadas do modelo DPI ajustadas aos dados obtidos pela
DTR para as taxas hidráulicas investigadas no FBPA. ...161
FIGURA 6.30: Desempenho de FBPs atuando no pós-tratamento de reatores UASB quanto às cargas volumétricas removidas e as eficiências de remoção em função das cargas volumétricas de contato aplicadas: DQO (a) e (b); DBO (c) e (d). ...197 FIGURA 6.31: Box-plot das concentrações de total (a), NTK (b), amoniacal (c), orgânico (d), N-NH4
+
LISTA DE TABELAS
TABELA 3.1 – Fatores de correção para o coeficiente de perda de carga (Np) ...33
TABELA 3.2 – Classificação e características dos FBPs convencionais (adaptado de METCALF & EDDY, 2003; e WEF, 1992). ...36 TABELA 3.3– Critérios e parâmetros de projeto para FBPs aplicados aos pós-tratamento de efluentes de reatores UASB. (Fonte: GONÇALVES et al., 2001). ...36 TABELA 3.4– Modulação e principais características para o sistemas compactos UASB/FBP pré-fabricados (Fonte: Chernicharo & Almeida, 2011). ...40 TABELA 3.5– Principais características e desempenhos de FBPs aplicados ao pós-tratamento de efluentes de reatores UASB. ...48 TABELA 3.6– Cargas e qualidade do efluente para aplicações típicas de FBPs convencionais (Adaptado de Metcalf & Eddy, 2003). ...54
TABELA 3.7– Valores de μmáx para Nitrosomonas em função da temperatura (USEPA, 1993). ...59
TABELA 3.8 – Classificação do tipo de dispersão em função do coeficiente de dispersão D (Fonte: Metcalf & Eddy, 2003). ...76 TABELA 3.9 – Avaliação do grau de dispersão através do número de dispersão (Fonte: Metcalf & Eddy, 2003). ...77
TABELA 3.10 – Valores do coeficiente de distribuição (kD) para difusão do oxigênio em água limpa
(VON SPERLING, 1996). ...92
TABELA 3.11 – Pressão de vapor da água (PV) (VON SPERLING & CHERNICHARO, 2005)...92
TABELA 3.12–Valores do coeficiente de difusão (D) para o oxigênio (VON SPERLING & CHERNICHARO, 2005). ...95 TABELA 5.1 – Principais características físicas dos reatores UASB utilizados para a alimentação do FBPA. ...121 TABELA 5.2 – Características físicas dos meios de enchimento utilizados no FBPA. (Fonte: Metcalf & Eddy, 2003). ...123 TABELA 5.3 – Principais características do FBPA nas etapas da pesquisa. ...126
TABELA 5.4 – Taxas e vazões de projeto aplicadas em cada etapa de operação do FBPA. ...127
TABELA 5.5 – Métodos analíticos adotados para as análises dos parâmetros físicos e físico-químicos monitorados. ...130 TABELA 5.6 – Síntese do programa de monitoramento do sistema UASB/FBPA. ...132
TABELA 5.7 – Dimensões e quantidade de janelas de ventilação no FBPA com as laterais fechadas. ...137 TABELA 5.8 – Especificações dos componentes utilizados no aparato de injeção e controle do gás traçador. ...139
TABELA 6.1 – Resultados dos principais parâmetros da curva Cpulso e das funções das DTR para
diferentes concentrações LiCl e NaCl para a taxa hidráulica de 4,5 m3/m2.d. ...151
TABELA 6.2 – Resultados dos principais parâmetros da curva Cpulso do NaCl e de suas funções de
DTR para as três taxas hidráulicas investigadas...154
TABELA 6.6 – Períodos monitorados e observações relevantes à operação do FBPA. ...168
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS
ACpulso Área sob a curva de concentração do pulso traçador
AT Alcalinidade Total
BOA Bactérias Oxidadoras de Amônia
BON Bactérias Oxidadoras de Nitrito
CHV Carga Hidráulica Volumétrica
CE Condutividade Elétrica
CePTS Centro de Pesquisa e Treinamento em Saneamento UFMG/COPASA
Cpulso Curva de concentração do pulso traçador
COV Carga Orgânica Volumétrica
C(t) Concentração do traçador no tempo t
CVaplicada Carga aplicada por Volume Útil do Filtro
CVremovida Carga removida por Volume Útil do Filtro
C0 Concentração do traçador inicial observada
C Concentração do traçador normalizada como C(t)/C0
d Número de dispersão
D Coeficiente de dispersão
Da Número de Damkohler
DESA Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental
DTR Distribuição dos tempos de residência
DBO Demanda Bioquímica de Oxigênio
DQO Demanda Química de Oxigênio
ETO Eficiência de Transferência de Oxigênio
E(t) Função de distribuição dos tempos de residência
E Função de distribuição dos tempos de residência normalizada
E DPI Função de DTR normalizada para o modelo DPI
FBP Filtro Biológico Percolador
FBPA Filtro Biológico Percolador Aberto
F(t) Função acumulativa da distribuição dos tempos de residência
K Coeficiente de remoção de substrato
kLa O2 Coeficiente de Transferência de Oxigênio calculado pelo balanço de massa de
kLa’ O2 Coeficiente de Transferência de Oxigênio calculado pelo balanço de massa do
gás traçador propano
kLa P Coeficiente de Transferência de Propano
L comprimento característico do reator, que para FBPs considera-se como a
altura total do filtro
LiCl Cloreto de Lítio
N Número de Tanques em Série
NaCl Cloreto de Sódio
N-amoniacal Nitrogênio Amoniacal
NMP Número Mais Provável de Bactérias
N-NH4+ Nitrogênio na forma de Íon Amônio
N-NO2- Nitrogênio na forma Nitrito
N-NO3- Nitrogênio na forma de Nitrato
NTK Nitrogênio Total Kjeldahl
N-TES Modelo Clássico de Tanques em Série
N-TES g(t) Modelo de Tanques em Série com a Função Gama
n0 Massa de traçador injetada no ensaio hidrodinâmico
OD Oxigênio Dissolvido
Pe Número de Peclet
pH Potencial Hidrogeniônico
POR Potencial de Oxirredução
Q Vazão
R2 Coeficiente de determinação entre variáveis observadas e modeladas
SSed Sólidos Sedimentáveis
SSQE Soma dos erros ao quadrados
SST Sólidos Suspensos Totais
SSF Sólidos Suspensos Fixos
SSV Sólidos Suspensos Voláteis
ST Sólidos Totais
STD Sólidos Totais Dissolvidos
TAS Taxa de Aplicação Superficial
TDH Tempo de Detenção Hidráulica teórico
TS Tempo de residência calculado como V/Q
TTOcampo Taxa de Transferência de Oxigênio nas Condições de Campo
TTOpadrão Taxa de Transferência de Oxigênio nas Condições Padrão
̅ Tempo Médio de Residência Calculado pela Função DTR
u Velocidade do fluido pelo reator
UASB Reator anaeróbio de manta de lodo e fluxo ascendente
UFMG Universidade Federal de Minas Gerais
β Retenção Líquida Calculada pelo Modelo de Dispersão Axial com a Função β
∆t Intervalo de tempo
σ² Variância da Distribuição dos Tempos de Residência
σ Variância normalizada da função E do modelo de dispersão de DPI
σ Variância normalizada da função E do modelo de dispersão de DGI
σ Variância normalizada da função E do modelo de dispersão de N-TES
Tempo de observação normalizado como t/ ̅
1 INTRODUÇÃO
Sistemas simplificados de tratamento de esgotos, de baixo custo e mecanicamente simples
vêm sendo base de pesquisas, por representar alternativas sustentáveis para o tratamento de
esgotos, principalmente em pequenas comunidades (p.ex. 1000 habitantes), as quais possuem
menos recursos financeiros e humanos. No entanto, várias unidades, quando atuando
isoladamente, apresentam limitações significativas quanto à remoção de determinados
poluentes. Acredita-se que, a associação, entre determinados sistemas simplificados possa
proporcionar uma melhor eficiência de remoção desses poluentes.
Dentre os principais sistemas de tratamento simplificados, situam-se os reatores anaeróbios de
manta de lodo e fluxo ascendente (UASB), já bastante pesquisados e difundidos no meio
técnico. A despeito de suas grandes vantagens, sabe-se que normalmente esses reatores não
geram um efluente final que atenda aos padrões de lançamento de diversas legislações
estaduais, o que traz a necessidade de uma etapa de pós-tratamento (VON SPERLING
&CHERNICHARO, 2005).
Nesse sentido, os filtros biológicos percoladores (FBPs) apresentam-se como boa alternativa
para pós-tratamento dos efluentes dos reatores anaeróbios, devido à simplicidade operacional
e baixos requisitos de operação e por complementarem a remoção de matéria orgânica, bem
como proporcionarem a remoção de constituintes pouco afetados no tratamento anaeróbio,
como os surfactantes aniônicos, e principalmente o nitrogênio amoniacal (GONÇALVES et
al., 2001; CHERNICHARO, 2006; KASSAB et al., 2010).
Os FBPs são sistemas de tratamento de efluentes, com biomassa aderida (biofilme) no meio
de enchimento (p.ex., pedras, escórias ou resíduos, materiais sintéticos ou metálicos), em que
ocorre a predominância de microrganismos aeróbios e facultativos, nas zonas externas do
biofilme e de organismos anaeróbios, nas zonas mais internas. O sistema hidráulico dos FBPs
de leito fixo é regido por um escoamento descendente do afluente, aplicado de forma contínua
na sua parte superior, o qual percola sob pressão atmosférica entre os poros do meio de
enchimento com a presença de ar, até o sistema de drenagem de fundo. Essas características
determinam a dinâmica de seus principais mecanismos de remoção (físico-químicos e
biológicos), transferência de substratos (p. ex., carbono e nutrientes) e gases (p. ex., oxigênio,
dióxidos de carbono e sulfeto), entre os meios gasoso-líquido-sólido presentes (WEF, 1992;
A respeito das possíveis configurações, os FBPs podem ser projetados para a remoção
secundária, combinada de DBO e nitrogênio amoniacal, conhecidos como sistemas de único
estágio, ou sistemas que realizam a nitrificação terciária (sistema de dois estágios). O sistema
de único estágio, base desta pesquisa, geralmente, consiste em FBPs que recebem o efluente
do tratamento primário ou de unidades que contemplam a primeira etapa biológica de
remoção de matéria orgânica (p.ex., reatores UASB), trabalhando com uma taxa aplicada
inferior à de FBPs concebidos para a remoção exclusiva de matéria orgânica. Para esse caso,
espera-se que a remoção de DBO ocorra principalmente nas camadas superiores do meio de
enchimento do FBP e a nitrificação nas camadas inferiores, já com menores concentrações de
matéria orgânica (USEPA, 1991; WEF, 1992; METCALF & EDDY, 2003).
A fim de aumentar a aplicabilidade e reduzir as limitações dos FBPs, quanto ao
pós-tratamento de efluentes anaeróbios, os esforços de pesquisas mais recentes têm lidado com
configurações inovadoras para diferentes tipos e alturas do meio de enchimento, com
investigações sobre a real necessidade de decantadores secundários e com operações de
diversas taxas de aplicação e recirculação do efluente (PORTO et al., 2002; FRADE, 2003;
SANTOS et al., 2005; SILVA & GONÇALVES, 2005; FONSECA et al., 2009;
CHERNICHARO & ALMEIDA, 2010; ALMEIDA et al., 2011b). No entanto, os FBPs
convencionais demandam grandes quantidades de concreto em sua estrutura, o que aumenta
os custos de construção. Além disso, a nitrificação completa usualmente não é atingida,
provavelmente devido às limitações de oxigênio.
Em FBPs convencionais, o ar circula através da área superficial aberta, na parte superior do
filtro e pelas aberturas das paredes laterais, que fazem parte do sistema de drenagem de fundo.
Uma boa areação é essencial para manter as condições aeróbias dentro do meio de
enchimento, promovendo, assim, melhor eficiência de remoção e, ao mesmo tempo, evitando
maus odores (METCALF & EDDY, 2003). Em muitos sistemas aeróbios, a taxa de
transferência de oxigênio para as células bacterianas é o fator limitante, o qual determinará a
taxa de conversão dos processos biológicos (GONÇALVES et al., 2001). Dessa forma, a
eficiência no fornecimento de oxigênio dissolvido (OD) para as bactérias torna-se fator
preponderante, em especial, para as bactérias de crescimento lento, como as nitrificantes
(GERARDI, 2006; USEPA, 2009). Sendo assim, com o aumento da transferência de
oxigênio, é provável se aumentar o desempenho do filtro, especialmente em termos de
abertura das paredes laterais do FBP seja uma boa alternativa para aumentar a circulação de ar
no interior do meio de enchimento, possibilitando assim uma melhor aeração.
O oxigênio dissolvido, conjuntamente com outros fatores ambientais (N-amoniacal, pH,
alcalinidade, temperatura e agentes inibidores), taxas aplicadas (hidráulica e
orgânicas),condições operacionais (p.ex., recirculação do efluente do FBP), características
físicas do filtro (tipo e altura do meio de enchimento) e mecanismos de transferência de massa
do biofilme (p.ex., difusão de substrato) representam os principais agentes reguladores do
desempenho na remoção conjunta de DBO e nitrogênio amoniacal (nitrificação) nos FBPs
(WEF, 1992; METCALF & EDDY, 2003; FLORÊNCIO et al., 2009; USEPA, 2009). Esses
agentes reguladores conduzem a uma nitrificação completa ou incompleta, uma vez que no
processo existem dois grupos de bactérias nitrificantes e duas rotas bioquímicas (GERARDI,
2006).
Dessa forma, com o propósito de adoção de tecnologias de tratamento de esgotos que atendam
aos requisitos de simplicidade operacional e adequabilidade socioambiental, esta pesquisa
teve como objetivo avaliar o comportamento de uma concepção inovadora de FBP,
desenvolvida no DESA-UFMG, denominada filtro biológico percolador aberto (FBPA).
Destaca-se que o FBPA possui suas paredes laterais abertas, o que pode permitir uma
circulação mais intensa do ar e proporcionar maior aporte de oxigênio para o biofilme. Além
desse aspecto de processo, a ausência de parede lateral reduz sobremaneira os custos de
construção dos FBPs.
O comportamento do FBPA, atuando no pós-tratamento de efluente de reator UASB, foi
avaliado para diferentes taxas de aplicação superficial e alturas do meio de enchimento, sem a
etapa de decantação secundária, quanto à hidrodinâmica, ao desempenho (remoção de sólidos,
matéria orgânica e nitrogênio), aos fatores ambientais de influência na nitrificação e à
2 OBJETIVOS
2.1
Objetivo geral
Avaliar o comportamento de um filtro biológico percolador com laterais abertas, sem
decantador secundário, sujeito a diferentes taxas de aplicação hidráulica superficial e alturas
do meio de enchimento, quanto à hidrodinâmica, ao desempenho (remoção conjunta de
matéria orgânica e nitrogênio amoniacal) no pós-tratamento de efluente de reator UASB, aos
fatores ambientais de influência na nitrificação, à abundância de bactérias nitrificantes e à
transferência de oxigênio.
2.2
Objetivos específicos
Avaliar o comportamento hidrodinâmico do FBPA, por meio de testes com traçadores e ajustes aos modelos matemáticos de representação dos escoamentos reais.
Avaliar o desempenho do FBPA, quanto à remoção conjunta de matéria orgânica e nitrogênio amoniacal (nitrificação parcial), para diferentes alturas do meio suporte e taxas
hidráulicas e orgânicas.
Avaliar as influências das condições operacionais impostas (taxas hidráulicas, COV e cargas de contanto de NTK e amônia), dos fatores ambientais limitantes (oxigênio
dissolvido, temperatura e alcalinidade) e da abundância de bactérias nitrificantes
(oxidadoras de amônia e oxidadoras de nitrito) na nitrificação no FBPA.
Avaliar a capacidade de transferência de oxigênio para o líquido no FBPA, com o filtro em sua configuração original (com laterais abertas) e com o filtro simulando uma unidade
3 REVISÃO DA LITERATURA
3.1. Características dos FBPs aplicados ao tratamento de esgotos
3.1.1. Conceitos gerais
Os FBP são caracterizados como sistemas de tratamento aeróbios, nos quais o líquido percola
em um leito fixo (meio de enchimento ou suporte), em que há circulação do ar que
proporciona o desenvolvimento e, consequentemente, o contato com microrganismos
(biofilme) responsáveis pela remoção e transformação de substâncias coloidais e dissolvidas.
O meio de enchimento apresenta a função primária de promover condições para a sustentação
e ventilação do biofilme. Dessa forma, os FBP são conhecidos como reatores de biofilme,
aplicados geralmente ao tratamento de efluentes em nível secundário (WEF, 1992; USEPA,
2000; METCALF & EDDY, 2003; VON SPERLING & CHERNICHARO, 2005).
Destaca-se que os reatores de biofilme, aplicados ao tratamento de efluentes, apresentam
consideráveis vantagens, quando comparados aos reatores de biomassa suspensa, devido à
possibilidade de sua operação com tempos de detenção hidráulica inferiores ao tempo de
retenção celular, reduzindo o volume necessário para o reator; à concentração de biomassa
ativa, podendo ser superior à de sistemas com crescimento disperso, em razão de sua
renovação constante; à velocidade de remoção de substrato superior à de sistemas com
crescimento disperso; e à coexistência entre microrganismos aeróbios e anaeróbios ser maior
que nos sistemas de crescimento disperso, porque a espessura do biofilme é usualmente
superior ao diâmetro do floco biológico (WEF, 2000; METCALF & EDDY, 2003; VON
SPERLING & CHERNICHARO, 2005).
A comunidade biológica dos biofilmes em FBPs é compreendida por bactérias aeróbias e
facultativas; fungos, algas, rotíferos, protozoários e alguns artrópodes em diferentes estágios
de desenvolvimento. As bactérias facultativas são geralmente os organismos predominantes
em biofilmes heterotróficos. Dentre elas, as espécies mais encontradas no biofilme de FBPs
são Acromobacter, Pseudomonas, Flavobacterium e Alcaligenes. As bactérias filamentosas
Sphaerotilusnatans e Beggiatoa podem ser encontradas na camada viscosa (METCALF &
EDDY, 2003).
O controle da comunidade microbiana nos FBPs é realizado de forma natural. Com o
reduzidos, proporcionado assim um aumento na velocidade do escoamento do líquido,
causando uma maior tensão de cisalhamento, que causa o desprendimento de parte da
biomassa aderida. Essa biomassa, liberada naturalmente do FBP, representa um acréscimo de
sólidos no efluente que deve ser removido (WEF, 1992; GONÇALVES et al., 2001;
METCALF & EDDY, 2003).
Os FBPs aplicados ao tratamento de efluentes (domésticos e industriais) geralmente
apresentam geometria cilíndrica e prismática (retangular ou quadrado), construídos em
concreto armado, aço carbono ou fibra de vidro. Gonçalves et al. (2001) comentaram que as
maiores preocupações construtivas devem se ater à longevidade e à integridade da estrutura
do filtro e do meio suporte, conseguida com a utilização de materiais adequadamente
selecionados e resistentes às condições adversas impostas pelos esgotos.
Os principais componentes dos FBPs aplicados ao tratamento de efluentes são o sistema de
alimentação ou distribuição, o meio suporte ou de enchimento, os dispositivos de ventilação e
o sistema de drenagem de fundo. Em razão dos objetivos propostos pela presente pesquisa,
será dada maior atenção ao sistema de alimentação e aos dispositivos de ventilação adotados
nos FBPs. Na Figura 3.1 são apresentados os principais componentes dos FBPs
convencionais.
FIGURA 3.1: Representação esquemática de um FBP convencional.
Dentre os objetivos do meio suporte, destacam-se as funções de fornecer sustentação ao
desenvolvimento do biofilme, proporcionar maior contato entre biomassa e líquido e garantir
boas condições de ventilação e circulação do ar no interior do FBP. As principais
características avaliadas para a escolha de um determinado meio suporte são: apresentar
elevada área específica, proporcionando uma área maior para o desenvolvimento do biofilme;
elevado volume de vazios, para evitar problemas com a colmatação do reator; ser inerte para
não ser decomposto junto com o efluente; e ter peso específico baixo por questões estruturais
(WEF, 1992; METCALF & EDDY, 2003).
Os materiais geralmente utilizados são a pedra britada, escória de alto-forno de indústria
siderúrgica, anéis plásticos randômicos e um tipo de meio sintético plástico, que pode ser de
fluxo inclinado ou vertical (Cross-flow e Vertical-flow) (WEF, 1992; GONÇALVES et al.,
2001; METCALF & EDDY, 2003; JORDÃO & PESSÔA, 2009). Outros meios suportes
sintéticos de diversos materiais e formas vêm sendo utilizados, como o Downflow Hanging
Sponge ou sistema DHS (espuma de poliuretano), Rotopack® (constituído de placas de
polietileno) e Rotosponge® (constituído de placas de polietileno e espumas de poliuretano)
pesquisados por Chernicharo & Almeida (2011).
Os meios sintéticos apresentam geralmente a vantagem de serem mais leves do que as pedras,
além de apresentarem uma área superficial de exposição superior. No entanto, os meios
sintéticos podem apresentar custos mais elevados do que o das pedras, sendo, dessa forma,
um fator limitante na composição do estudo de concepção do FBP em locais com restrições
financeiras (GONÇALVES et al., 2001). Outro aspecto a ser visto com maior cautela e que
deveria ser apresentado pelos fabricantes seria quanto ao tempo de vida ou duração destes
materiais expostos às condições apresentadas na planta de tratamento.
O sistema de drenagem de fundo dos FBPs convencionais consiste de uma laje perfurada ou
de grelhas confeccionadas em material resistente e de um conjunto de tubulações localizadas
na parte inferior do filtro. O sistema tem a função de sustentar o meio suporte e drenar o
líquido percolado e os sólidos desprendidos do FBP. O sistema de drenagem de fundo deve
ser aberto em ambas as extremidades, de forma a possibilitar a inspeção e a eventual limpeza
com jatos de água, caso necessário. Observa-se que esse sistema possibilita circulação do ar
atmosférico e, com isso, a transferência do oxigênio requerido pelos processos aeróbios
GONÇALVES et al. (2001) comentaram que o sistema de drenagem de fundo deve ser
resistente o suficiente para suportar todo o peso da estrutura localizada na parte superior,
incluindo o meio suporte, o crescimento do biofilme e o próprio esgoto. Além disso, devem
ser garantidas, com rigor, as recomendações de projeto relativas às declividades do sistema de
drenagem e às áreas livres para permitir a ventilação do FBP.
Os FBPs convencionais apresentam decantador secundário com o objetivo de retenção e
remoção de sólidos, incluindo o lodo (biofilme) desprendido do FBP. Devido à concentração
de sólidos suspensos no efluente do FBP ser relativamente baixa, os decantadores secundários
são normalmente do tipo convencional e dimensionados em função da taxa de escoamento
superficial, levando em conta a profundidade lateral de suas paredes (WEF, 1992;
GONÇALVES et al., 2001; METCALF & EDDY, 2003).
No Quadro 3.1 são apresentadas as principais vantagens e limitações dos FBPs aplicados ao
tratamento de águas residuárias.
QUADRO 3.1 – Principais vantagens e limitações dos FBPs aplicados ao tratamento de
águas residuárias (Adaptado de WEF, 1992; USEPA, 2000; Metcalf & Eddy 2003; von Sperling & Chernicharo, 2005).
Vantagens Limitações
- Processo biológico simples e confiável que proporciona a sua aplicabilidade de pequenas a grandes estações de tratamento.
- Adequados a locais onde há restrição de área devido a seu caráter compacto.
- Facilidade em atender aos padrões de lançamento (matéria orgânica MO e sólidos). - Bastante eficazes para o tratamento de altas concentrações de matéria orgânica, dependendo do meio suporte.
- Reduz rapidamente a concentração de DBO5
dissolvida no efluente.
- Eficiente para promover a nitrificação parcial (remoção de nitrogênio amoniacal), dependendo da taxa de aplicação.
- Baixa necessidade de manutenção, devido a seus componentes apresentar boa durabilidade. - Necessidade de um nível moderado de habilidade da operação.
- Índice de mecanização relativamente baixo.
- Tratamento complementar pode ser necessário para atender padrões de descarga mais rigorosos. - Possibilidade de acumulação de biomassa em excesso que impede as condições aeróbias e pode prejudicar o desempenho.
- Necessidade de atenção regular do operador. -Incidência de obstrução com meio suporte de pedra.
- Para remoção conjunta de MO e N-amoniacal, em meio suporte de pedra, faz-se necessária a aplicação de menores taxas orgânicas e hidráulicas.
3.1.2. Sistema de distribuição afluente
Para melhor desempenho do FBP, é essencial que ocorra o controle da espessura do biofilme,
possibilitando que sua formação se dê com a maior quantidade de zonas aeróbias e, ao mesmo
tempo, reduzindo os riscos de sua predação por macroinvertebrados. Para que isto ocorra, é
fundamental que a carga orgânica seja aplicada de forma contínua e uniforme no meio de
enchimento do filtro (WEF, 1992; GONÇALVES et al., 2001; METCALF & EDDY, 2003).
Dessa forma, o sistema de alimentação do FBP deve ser dimensionado e operado de maneira a
promover as melhores condições de distribuição do afluente e umedecimento do meio de
enchimento do FBP. Os dispositivos de alimentação do FBP geralmente são por distribuidores
fixos ou móveis.
Os sistemas móveis de distribuição do afluente podem ser dotados com movimentos de
translação ou de rotação. Os distribuidores com movimento de translação são de menor
eficiência que os distribuidores giratórios, pois se movimentam sobre um tanque retangular, o
que pode resultar em uma distribuição não homogênea em toda superfície do meio suporte, e
as partes externas são atingidas em intervalos de tempo maiores que a parte central. Já os
distribuidores giratórios apresentam características favoráveis à distribuição uniforme do
afluente, molhando igualmente toda a superfície do meio suporte (JORDÃO & PESSÔA,
2009).
O sistema rotatório de distribuição do afluente é composto por um ou mais dutos (braços)
horizontais, engastados e girando em torno de uma coluna central. Por esse dispositivo, o
esgoto é distribuído uniformemente sobre o meio suporte, por orifícios situados em um dos
lados de cada braço horizontal. O movimento de rotação do distribuidor é geralmente
assegurado apenas pela energia proveniente do jato de descarga do esgoto por um conjunto de
orifícios. Motores elétricos podem ser utilizados para movimentar esse sistema para controle
de moscas e para evitar paradas dos braços distribuidores em horários de vazões muito baixas
(GONÇALVES et al., 2001).
Os braços distribuidores normalmente possuem seção transversal circular, podendo também
ser construídos com seção prismática (retangular ou quadrilátero). A área da seção transversal
dos braços geralmente diminui com a distância da coluna central. Para a limpeza dos braços e
desentupimento dos orifícios, um dispositivo de abertura é instalado nas extremidades dos
ar no seu interior. A estrutura de sustentação dos braços é composta por tirantes, que
asseguram a estabilidade do engaste na coluna central (GONÇALVES et al., 2001).
Os braços dos distribuidores devem ser dimensionados de forma que a velocidade rotacional
se situe entre 0,1 e 2,0 rpm e a velocidade não exceda a 1,2 m/s, na vazão máxima. FBPs com
quatro braços distribuidores são equipados com um extravasor na coluna central,
concentrando a alimentação em apenas dois braços, nos períodos de pequenas vazões. Nos
períodos de vazões máximas, todos os quatro braços são alimentados com esgoto. Esse
procedimento assegura velocidades de descarga e forças de reação adequadas à rotação do
distribuidor, sob as diversas condições de vazões. Orifícios no lado oposto dos braços também
são utilizados para reduzir a velocidade rotacional nos momentos de pico de vazão
(GONÇALVES et al., 2001).
Os sistemas de distribuição fixos são compostos por tubulações de distribuição principal e
outras secundárias (ou laterais), situadas acima da superfície do meio suporte. Nas tubulações
secundárias são instalados aspersores (bocais ou vertedores triangulares), sendo
dimensionados e espaçados de forma a se obter distribuição uniforme da alimentação. Em
geral, os aspersores são constituídos por um orifício de seção circular e um defletor.
Os sistemas fixos mais antigos previam uma alimentação intermitente do esgoto, por meio de
um reservatório de carga, promovendo uma carga hidráulica disponível suficiente para que o
escoamento vencesse toda a perda de carga da linha de distribuição. Observa-se que, devido à
variação da lâmina de água no tanque de carga, a vazão de descarga, nesse tipo de dispositivo,
é variável. No início do período de descarga, o esgoto é lançado a uma distância máxima de
cada aspersor que diminui, à medida que o tanque se esvazia, reduzindo a carga hidrostática.
Gonçalves et al. (2001) comentaram ainda que o período entre cargas de esgoto varia de 0,5 a
5 minutos. A distribuição de esgoto, realizada por meio desse tipo de sistema de distribuição,
sobre a superfície do meio granular, é relativamente boa.
Com o surgimento dos meios suporte sintéticos, os sistemas fixos de distribuição voltaram a
ser utilizados nos filtros profundos e nas biotorres (FBPs de elevada altura utilizados para
remoção de matéria orgânica e N-amoniacal). Nesses processos, o sistema de distribuição
também é dotado de distribuidores principais e secundários, situados imediatamente acima do
meio suporte, e a alimentação é realizada continuamente, por meio de bombeamento ou pela
As principais desvantagens desse tipo de sistema de distribuição são: a não uniformidade da
carga hidráulica sobre a superfície do FBP; as grandes extensões de dutos de distribuição; o
entupimento frequente dos aspersores; a dificuldade de manutenção dos aspersores em
grandes FBPs. Nos sistemas fixos, estima-se que, para se atingir a mesma distribuição
alcançada pelos distribuidores rotatórios, a vazão aplicada deve ser de três a quatro vezes
superior (GONÇALVES et al., 2001).
Sistemas de distribuição fixos constituídos de tubos perfurados e canaletas com vertedores
triangulares também são utilizados em sistemas compactos, simplificados e FBPs de pequenas
estações de tratamento de esgotos.
FIGURA 3.2: Sistemas de distribuição afluente utilizados em FBPs aplicados ao tratamento
de esgotos: (a) Distribuidor rotativo de quatro braços com orifícios (SERECO, 2012); (b) Distribuidor móvel em translação (SEWACO, 2012); (c) Distribuidor fixo com tubos e
dispersores (WEF, 1992); (d) Distribuidor fixo com canaletas e vertedores triangular (ECODENA, 2012).
(a) (b)
3.1.3. Dispositivos de ventilação
A aeração é fundamental para manter as condições aeróbias nos FBPs, promovendo melhores
eficiências no tratamento e prevenindo maus odores (LOGAN, 1993). Na aeração, é fornecido
oxigênio para as bactérias aeróbias oxidadoras de matéria orgânica e oxidadoras de amônia e
nitrito. Gonçalves et al.(2001) comentaram que, em muitos sistemas aeróbios, a velocidade de
transferência de oxigênio para as células é o fator limitante, o qual determinará a velocidade
de conversão biológica. Dessa forma, a eficiência no fornecimento de oxigênio dissolvido
(OD) para as bactérias nitrificantes torna-se fator preponderante. Nesse sentido, a ventilação
natural tem sido alternativa suficiente para o fornecimento de oxigênio para a manutenção das
condições aeróbias do biofilme em FBPs.
Sabe-se que a aeração do esgoto em FBPs depende da intensidade de ventilação da unidade,
que por sua vez é controlada pela diferença de temperatura do ar entre as partes externa e
interna do FBP. Segundo WEF (2000), quando essa diferença de temperatura é superior a 2ºC,
ocorre um fluxo de ar descendente, quando a diferença é inferior a 2ºC, ocorre um fluxo de ar
ascendente. A intensidade da ventilação é diminuída, à medida que a diferença de temperatura
se aproxima de 2°C.
O fluxo de ar descendente é considerado, na maioria das vezes, como desejável, por promover
o atendimento aos requisitos de oxigênio nas camadas superiores dos FBPs, em que a taxa de
remoção de matéria orgânica apresenta-se maior, devido à predominância de bactérias
heterotróficas. Outro motivo seria para o controle de possíveis maus odores no topo do FBP,
visto que, eventualmente, o afluente do FBP apresenta-se em condições anaeróbias.
Devido às elevadas temperaturas observadas no Brasil, a ventilação natural tem sido a
principal alternativa utilizada para o atendimento dos requisitos de oxigênio em FBPs
implantados no país (FLORÊNCIO et al., 2009; CHERNICHARO & ALMEIDA, 2011).
Para que ocorra uma ventilação natural no FBP, Metcalf &Eddy (2003) recomendam que
sejam adotados os seguintes cuidados:
I. o sistema de drenagem e os canais coletores de efluente, junto ao fundo da estrutura
dos FBP, devem permitir um fluxo livre do ar que se escoa pelo filtro. Esses canais
II. deve-se prever a instalação de poços de ventilação em ambas as extremidades do canal
central de coleta do efluente;
III. os filtros de grandes diâmetros devem ser dotados de canais de coleta ramificados,
dotados de poços ou tubos de ventilação, ao longo do perímetro do filtro;
IV. a área de vazios da laje, para suporte do leito de enchimento, deve ser superior a 15%
da área superficial do filtro. A área aberta para passagem de ar pelo fundo do filtro
(muitas vezes com o uso de tubos que vão até à superfície do filtro) deve ser superiora
1% (se possível cerca de 5%) da área superficial do filtro;
V. as aberturas das grelhas dos poços e tubos de ventilação devem possuir área livre de
1,0 m² para a cada 25 m² de área do filtro.
FIGURA 3.3: Sistemas de ventilação utilizados em FBPs e biotorres aplicados ao tratamento
de efluentes: (a) Poços de ventilação (COPASA, 2012); (b) e (c) janelas de ventilação junto ao sistema de drenagem de fundo (PORTUGAL, 2012; GLS TANKS, 2012); (d) FBP com parede em tijolos arrumados e janelas de ventilação junto ao sistema de drenagem de fundo
(UKEA, 2005).
(a)
(c)
(b)
3.1.4. Requisitos de oxigênio e fluxo de ar
A ventilação natural tem sido a forma mais aconselhada para suprir os requisitos de oxigênio
para o tratamento de esgotos no FBP, porém, a ventilação forçada pode ser necessária e seus
custos podem ser maiores do que seus próprios benefícios (FLORÊNCIO et al., 2009). No
entanto, muito pouco é investigado sobre a quantidade de oxigênio utilizado e a sua eficiência
de transferência em FBPs. Neste item foram abordadas algumas equações empíricas para
estimar a demanda de oxigênio para a remoção de DBO e conjunta de DBO e amônia
(nitrificação) em FBPs.
Metcalf & Eddy (2003) propuseram algumas equações para a estimativa da necessidade de
oxigênio em FBPs e a demanda do fluxo de ar necessário, baseadas em estudos realizados
pela Dow Chemical. Assume-se que a eficiência de transferência de oxigênio é de
aproximadamente 5%, segundo essas equações. Os modelos utilizados para estimativa e
avaliação do atendimento aos requisitos de oxigênio em FBPs são apresentadas a seguir.
I. Requisitos de Oxigênio
Para a remoção apenas de DBO é utilizada a Equação 3.1.
= ( 20 ⁄ ) × ( 0,8 + 1,2 , ) × ( ) (3.1)
onde, RODBO é o requisito de oxigênio (kgO2/kgDBO aplicada); COV é a carga orgânica
volumétrica aplicada (kgDBO/m³.d); e FP é o fator de pico – máximo para a carga de DBO
média (usual 1,4).
Para a remoção conjunta de DBO e nitrogênio amoniacal, utiliza-se a Equação 3.2.
çã = ( 40 ⁄ ) × 0,8 + 1,2 , +
,
× ( ) (3.2)
onde, RODBO+Nitrificação é o requisito de oxigênio (kgO2/kgDBO aplicada); e NOX/DBO é a
razão entre a fração de nitrogênio oxidado e DBO afluentes ao FBP.
Para o fluxo de ar a 20°C e pressão atmosférica de 1atm, considerando a densidade do ar de
1.024 kg/m³ e um percentual de oxigênio no ar de 23,18%, tendo um volume de ar por kg de
3,58 m³/kgO2 é utilizada a Equação 3.3.
= ( ) × ( ) × ( ) × ( , / )
( / ) × ( / ) (3.3)
onde, AR20 é o fluxo de ar para temperatura de 20°C e pressão de 1 atm (m³/min); Q é a vazão
afluente ao FBP (m³/d); e S0 é a concentração de DBO afluente ao FBP (g/m³).
O fluxo de ar, para as condições locais, deve ser corrigido em função da temperatura e pressão
local, conforme é apresentado pela Equação 3.4.
= × ( , )
( , ) × (3.4)
na qual, ARTA é o fluxo de ar para temperatura e pressão ambiente (m³/min); TA é a
temperatura mais quente do ar ambiente (°C); e P0 é a Pressão local (mm Hg).
Para temperatura ambiente acima de 20°C, ocorrendo ao mesmo tempo uma menor
concentração de oxigênio disponível no ar e uma maior taxa de desenvolvimento biológico no
FBP, recomenda-se a Equação 3.5 Observa-se que a cada grau elevado, acima da temperatura
de 20°C, o fluxo de ar no FBP é elevado em 1%.
° = × 1 + (3.5)
Recomenda-se utilizar a temperatura máxima do ar nas Equações 3.4 e 3.5 para garantir a
maior quantidade possível de oxigênio pelo fluxo de ar no filtro.
III. Perda de pressão do ar
A perda de pressão do fluxo de ar (ou a perda de carga) que ocorre pelo meio suporte está
relacionada à velocidade superficial, expressa pela Equação 3.6.
onde, ΔP é a perda de pressão ou de carga FBP (kPa); v é a velocidade superficial do ar (m/s);
g é a aceleração da gravidade (9,81 m/s²); e NP é o coeficiente de resistência ou perda de carga
do meio suporte.
Tal que a velocidade superficial do ar é calculada como:
= (3.7)
onde, v é a velocidade superficial do ar (m/s); AR é o fluxo de ar (m³/s); e A é a área
superficial do filtro (m²).
O coeficiente de resistência (NP) é resultante da soma de todas as perdas de carga relacionadas
ao fluxo de ar. Essas perdas ocorrem com a passagem do ar pela entrada no sistema de
drenagem e no meio suporte. Na Equação 3.8, é proposto o desenvolvimento do coeficiente
para perdas no meio suporte, a partir do tipo e altura do meio suporte e da carga do efluente
aplicado.
= 10,33( ) ( , ) ( / ) (3.8)
em que, NP = é o coeficiente de resistência ou perda de carga do meio suporte; D é a
profundidade do meio suporte (m); L é carga do líquido aplicada (kg/h); A é a área superficial
do meio suporte (m²).
Na Tabela 3.1 são apresentados os fatores de correção para o coeficiente de perda de carga
(NP), determinado pela Equação 3.8, para diferentes tipos de meios suportes. Os autores
recomendaram multiplicar o coeficiente NP pelos valores de 1,3 a 1,5 para incluir as perdas
geradas nos dispositivos de entrada de ar, no sistema de drenagem de fundo e em outras
entradas de ar.
TABELA 3.1 – Fatores de correção para o coeficiente de perda de carga (Np) (Fonte: Metcalf & Eddy, 2003).
Meio suporte Superfície específica
(m²/m³) Fator de correção
Pedra 45 2,0
Cross-flow 100-140 1,3-1,6
Para verificar se as perdas de carga ocorridas dificultam a circulação de ar no FBP, faz-se
necessário comparar a quantidade de ar promovida pela ventilação natural (Equação 3.9) ou
forçada, quando for o caso. Para o bom funcionamento do FBP, a pressão promovida pela
ventilação (natural ou forçada) deve ser superior às perdas de pressão (carga) ocorridas.
= 353 × − × (3.9)
onde, Dar é a ventilação natural (mm de coluna de água) – tal que: 9,797 Pa/mm água; Tmin é a
temperatura mais fria – recomendado utilizar a temperatura média do esgoto afluente (K);
Tmax é a temperatura mais quente (K); H = é a profundidade do FBP (m).
Uma estimativa mais conservadora da temperatura ocorrida no meio poroso é obtida a partir
da temperatura média do ar apresentada na Equação 3.10. Essa temperatura é utilizada na
Equação 3.9, em substituição à temperatura do mês mais quente (Tmax).
=
( / ) (3.10)
em que, Tm é a Temperatura média do ar (°C); T2 é a maior temperatura do ar (°C); T1 é a
menor temperatura – utilizada a temperatura média do esgoto afluente (°C).
3.2. FBPs aplicados ao pós-tratamento de efluentes de reator UASB
Chernicharo et al. (2001) afirmaram que a tecnologia anaeróbia, aplicada ao tratamento de
esgotos domésticos, encontra-se consolidada em nosso país, sendo que praticamente todas as
análises de alternativas de tratamento incluem os reatores anaeróbios como uma das principais
opções. Dentre os principais sistemas de tratamento simplificados anaeróbios, situam-se os
reatores de manta de lodo e fluxo ascendente (UASB), já bastante pesquisados e difundidos
em nosso meio.
Os reatores UASB apresentam grandes vantagens no tratamento de esgotos, sendo que dentre
as principais pode-se destacar o fato de serem sistemas compactos (com baixo requisito de
área), apresentarem baixa produção de lodo, o lodo excedente apresenta elevada concentração
reatores UASB normalmente não geram um efluente final que atenda aos padrões de
lançamento de diversas legislações estaduais, o que traz a necessidade de uma etapa de
pós-tratamento. Neste sentido, acredita-se que a associação entre determinados sistemas
simplificados e combinados, por unidades de tratamento anaeróbias (reator UASB), seguidas
por unidades aeróbias (FBP), possa proporcionar uma melhor eficiência de remoção desses
poluentes.
As principais vantagens e potencialidades da utilização dos FBPs, como unidade de
pós-tratamento de efluentes de reatores UASB, foram apresentadas em Gonçalves et al. (2001),
Chernicharo (2006) e Kassab et al. (2010), tais como: elevadas eficiências e atendimento aos
padrões de lançamento em termos de remoção de DBO, DQO e SST e eventualmente de
nitrogênio amoniacal; produção de lodo equivalente a outros sistemas (exceto para os filtros
anaeróbios); moderada complexidade operacional; baixos custos de implantação, operação e
manutenção; flexibilidade operacional; não apresentam consumo energético; estrutura física
compacta; operação estável e confiável; baixo impacto ambiental local (incluindo odores,
ruídos e impacto visual).
3.2.1. Classificação e critérios de projeto de FBPs
Os FBPs geralmente são classificados em razão da carga hidráulica aplicada ou taxa de
aplicação superficial (TAS) e da carga orgânica volumétrica (COV) aplicada. Na Tabela 3.2 é
apresentado um resumo da classificação para FBPs convencionais propostas em WEF (1992)
e Metcalf & Eddy (2003), contendo suas principais características (altura e tipo de meio de
enchimento), condições de operação (taxas hidráulicas e orgânicas; recirculação do efluente)
desempenho (eficiências de remoção de DBO e nitrificação). Em razão das taxas aplicadas
(TAS e COV), de suas características, como tipo e altura do meio de enchimento do FBP e
das condições operacionais impostas, são esperadas condições típicas de desempenho, como o
arraste do biofilme, eficiência de remoção de DBO e nitrificação (remoção de N-amoniacal),
para os FBPs tradicionais.
Cabe ressaltar que essa classificação é baseada para FBPs atuando no pós-tratamento de
efluentes de decantadores primários e não para o pós-tratamento de reatores UASB. Dessa
forma, acredita-se que os FBPs atuando no pós-tratamento de efluentes de reatores UASB,
possam apresentar desempenho na remoção de DBO e N-amoniacal (nitrificação) diferente do
